1、專業綜合課程設計任務書學生姓名： 吳 純 專業班級： 通信0905 指導教師： 王 晟 工作單位： 信息工程學院 題 目: 測量放大器課程設計目的：1. 通過對電路的設計掌握仿真軟件使用方法；2. 掌握通信電路的測試方法和設計實驗的方法；3. 學習構造簡單通信系統的方法；4. 提高正確地撰寫論文的基本能力。課程設計內容和要求設計并制作一個測量放大器及所用的直流穩壓電源，輸入信號取自橋式測量電路的輸出。1.差模電壓放大倍數 AVD1500，可手動調節；2.最大輸出電壓為± 10V，非線性誤差 < 0.5 ；3.在輸入共模電壓+7.5V7.5V范圍內，共模抑制比 KCMR >

2、105 ；4.在AVD500時，輸出端噪聲電壓的峰峰值小于1V；5.通頻帶010Hz ；6.直流電壓放大器的差模輸入電阻2MW （可不測試，由電路設計予以保證）。初始條件：1. 三端固定穩壓器LM7815，LM7915；2. 25w的電源變壓器；3. 示波器，萬用表；4. 函數發生器；5. op07的運算放大器，以及電阻、和整流二極管若干。時間安排：第18周，理論講解；第19周，理論設計、實驗室安裝調試。地點：鑒主13樓通信工程綜合實驗室、鑒主15樓通信工程實驗室（1）指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 目錄測量放大器簡述4設計任務51.測量放大器的設計51.1

3、設計內容及要求51.2設計原理513設計方案及實現82. 橋式電路103. 信號變換放大器114. 直流穩壓源124.1設計內容及要求124.2電路設計及原理125.直流電壓放大器156. 放大器性能測試167.仿真結果和分析177.1各部分的仿真結果177.2電路總圖的仿真結果208.主要電路參數計算218.1通頻帶的計算218.2放大倍數計算21收獲和體會21元件清單23主要參考文獻24測量放大器測量放大器簡述摘要：放大器是能把輸入訊號的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達、電視、自動控制等各種裝置中。了解和掌握放大器對于學習和應用電子

4、系統有很大的幫助。信號檢測中的放大電路有很多種類型，實際系統中常采用的有測量放大器和隔離放大器。 測量放大器也稱為儀表放大器或數據放大器，它是一種可以用來放大微弱差值信號的高精度放大器，在測量控制等領域具有廣泛的用途。通常，測量放大器多采用專用集成模塊來實現，雖然有很高的性能指標，但不便于實現增益的預置與數字控制，同時價格較高。為此，結合應用實際，利用高增益運放，設計了一種具有高共模抑制比，高增益數控可顯的測量放大器。提高了測量放大器的性能指標，并實現放大器增益較大范圍的步進調節。本次設計通過采用儀用放大器的改造來實現設計一測量放大器及其所用的穩壓電源,并滿足其高輸入阻抗和高共模抑制比及高通頻

5、帶的要求.。測量放大器主要實現對微信號的測量，主要通過運用集成運放組成測量放大電路實現對微弱信號的放大，要求有較高的共模抑制能力及較高的輸入電阻，減少測量的誤差及對被測電路的影響，并要求放大器的放大倍數可調已實現對比較大的范圍的被測信號的測量。測量放大器前級主要用差分輸入，經過雙端信號到單端信號的轉換，最終經比例放大進行放大。設計任務 設計并制作一個測量放大器及所用的直流穩壓電源。參見圖1。輸入信號VI取自橋式測量電路的輸出。當R1R2R3R4時，VI0。R2改變時，產生VI 0的電壓信號。測量電路與放大器之間有1米長的連接線。1.測量放大器的設計1.1 設計內容及要求a. 差模電壓放大倍數

6、AVD1500，可手動調節；b. 最大輸出電壓為± 10V，非線性誤差 < 0.5 ；c. 在輸入共模電壓+7.5V7.5V范圍內，共模抑制比 KCMR >105 ；d. 在AVD500時，輸出端噪聲電壓的峰峰值小于1V；e. 通頻帶010Hz ； f.直流電壓放大器的差模輸入電阻2MW （可不測試，由電路設計予以保證）。1.2設計原理原理概述 放大器是電子系統的重要組成部分，了解和掌握放大器對于學習和應用電子系統有很大的幫助。信號檢測中的放大電路有很多種類型，實際系統中常采用的有測量放大器和隔離放大器。 測量放大器又稱為 數據放大器或儀表放大器，常用于熱電偶，應變電橋.

7、流量計，生物電測量以及其他有較大共模干擾的支流緩變微弱信號的檢測。 測量放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點，因此得到廣泛的應用。差分放大器和測量放大器所采用的基礎部件（運算放大器）基本相同，它們在性能上與標準運算放大器有很大的不同。標準運算放大器是單端器件，其傳輸函數主要由反饋網絡決定；而差分放大器和測量放大器在有共模信號條件下能夠放大很微弱的差分信號，因而具有很高的共模抑制比（）。它們通常不需要外部反饋網絡。測量放大器的第一級只對差摸信號有一定的放大作用，而對共模信號幾乎沒有抑制作用，對共模信號幾乎沒有抑制作用主要由第二級電路來完成,

8、而且放大器的共摸抑制比約為第一級電路的差摸電壓增和第二級電路的共摸抑制比的乘積。在工業自動控制等領域中，常需要對遠離運放的多路信號進行測量，由于信號遠離運放，兩者地電位不統一，不可避免地存在長線干擾和傳輸網絡阻抗不對稱引人的誤差。為了抑制干擾，運放通常采用差動輸人方式。對測量電路的基本要求是：高輸人阻抗，以抑制信號源與傳輸網絡電阻不對稱引人的誤差。高共模抑制比，以抑制各種共模干擾引人的誤差。高增益及寬的增益調節范圍，以適應信號源電平的寬范圍。以上這些要求通常采用多運放組合的電路來滿足，典型的組合方式有以下幾種：同相串聯式高阻測量放大器，同相并聯式高阻測量放大器，高共模抑制測量放大器 用分離元件

9、構建測量放大器需要花費很多的時間和精力，而采用集成運放放大器或差分放大器則是一種簡便而又可行的替換方案。用集成運算放大器放大信號的主要優點:（1） 電路設計簡化，組裝調試方便，只需適當配外接元件，便可實現輸入輸出的各種放大關系.（2） 由于運放得開環增益都很高，用其構成的防大電路一般工作的深度負反饋的閉環狀態，則性能穩定，非線性失真小。（3） 運放的輸入阻抗高，失調和漂移都很小，故很適合于各種微弱信號的放大。又因其具有很高的共模抑制比，對溫度的變化，電源的波動以及其他外界干擾獨有很強的抑制能力。運算放大器組成的放大電路，按電路的性質可分為反相放大器，同相放大器和差分放大器三種。按輸入信號性質又

10、可分為直流放大器和交流放大器兩類。 差分放大器分為（1）單端輸入、單端輸出（2）雙端輸入、單端輸出（3）單端輸入、雙端輸出三種，而雙端輸入、單端輸出型差動放大器常用于多級差分放大電路的中間極或末極。 測量放大器系統組成的框圖如下圖所示。系統包括橋式電路、信號變換放大器電路，直流電壓放大器和直流穩壓電源。測量放大器系統各個組成部分作用和指標：橋式電路：提供差動電壓用來測試直流電壓放大器的主要性能指標。信號變換放大器：把函數發生器單端輸出信號經信號變換放大器變換為直流電壓放大器的雙端輸入信號。直流電壓放大器：要求差動輸入的直流電壓放大器，具有高的差模電壓增益，并具有低漂移，低噪聲輸出及高共模抑制比

11、等特性。測試其差模放大倍數、共模放大倍數、共模抑制比、輸出噪聲電壓峰峰值、通頻帶。直流穩壓電源：該電源由單相 220V 交流電壓供電，輸出±15V 直流電壓，作為整個系統的電源。圖中K 置2 的位置，測直流電壓放大器頻率特性；K 置1 的位置，測直流電壓放大器的其他性能指標。13設計方案及實現方案論證與比較方案一同相并聯式高阻抗測量放大器電路具有輸入阻抗高、增益調節方便、漂移互相補償、雙端變單端以及輸出不包括共模信號等優點。線路前級為同相差動放大結構，要求兩運放的性能完全相同，這樣，線路除具有差模、共模輸人電阻大的特點外，兩運放的共模增益、失調及其漂移產生的誤差也相互抵消，因而不需精

12、密匹配電阻。后級的作用是抑制共模信號，并將雙端輸出轉變為單端放大輸出，以適應接地負載的需要，后級的電阻精度則要求匹配。增益分配一般前級取高值，后級取低值。圖一該測量放大器由運放U1和U2按同相輸入接法組成第一級差分放大電路，運放U3組成第二級差分放大電路。方案二低噪聲前置放大電路設計本電路結構簡單，輸入阻抗高，放大倍數可調；但是共模抑制比較小，實測只有104，共模抑制能力太差。圖二對測量電路的基本要求是：高輸入阻抗，以抑制信號源與傳輸網絡電阻不對稱引入的誤差。高共模抑制比，以抑制各種共模干擾引入的誤差。高增益及寬的增益調節范圍，以適應信號源電平的寬范圍。以上這些要求通常采用多運放組合的電路來滿

13、足，典型的組合方式有以下幾種：同相串聯式高阻測量放大器，同相并聯式高阻測量放大器。抑制共模信號傳遞的最簡單方法是在基本的同相并聯電路之后，再接一級差動運算放大器，它不僅能割斷共模信號的傳遞，還將雙端變單端，適應接地負載的需要，電路如圖一所示。它具有輸入阻抗高、增益調節方便、漂移相互補償，以及輸出不包含共模信號等優點，其代價是所用組件數目較多，共模抑制能力略有下降。方案一比方案二的抑制共模能力強，故采取方案一。2. 橋式電路橋式電路如下圖所示。橋式電路四臂由三個電阻和一個電位器構成，并有±15V 供電。改變電位器R2 就可以改變輸出電壓Vi，經1 米的屏蔽線，由開關K 接到直流電壓放大

14、器，作為直流電壓放大器測試信號源。圖三3. 信號變換放大器信號變換放大器主要功能是將函數發生器的單端輸出 Vi1 變換成直流電壓放大器的雙端輸入Vo。設計并制作一個信號變換放大器，參見圖四。將函數發生器單端輸出的正弦電壓信號不失真地轉換為雙端輸出信號，用作測量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號。設計要求將函數發生器單端輸出的正弦電壓信號不失真的轉換為雙端輸出信號，用作測量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號。為了使信號不失真，就需保證電路的對稱性。圖四同相放大器A1的電壓增益Vo1/ Vi1=1，反相放大器A2的電壓增益Vo2 / Vi1=-1，則總增益Vo / Vi1=( Vo1 Vo2)/ Vi

15、1 =2下面推導信號變換放大器的電壓增益關系式：對同相放大器，電壓增益Vo1 / Vi1=R7/(R6+R7)(1+R9/R8)當R12=R13=R14=R17=10K時：Vo1= Vi1對反相放大器，電壓增益Vo2 / Vi1 =-R18/R15當R18=R15=10k時：Vo2 =- Vi1反相放大器同相端對地電阻R12為平衡電阻，R16=R15/R18=5k。總增益Vo/ Vi1 =2。圖五4. 直流穩壓源4.1設計內容及要求設計并制作上述放大器所用的直流穩壓電源。由單相220V交流電壓供電。交流電壓變化范圍為1015。4.2電路設計及原理4.2.1選擇集成穩壓器選三端固定穩壓器LW78

16、15,其性能參數為：Iomax=1.5A,最小輸入輸出壓差(Ui-Uo)min=3V,最大功率30W，最大輸入電壓8-40V，均能滿足性能要求。4.2.2選電源變壓器電源變壓器T的作用是將電網220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=，式中是變壓器的效率。通常根據變壓器副邊輸出的功率P2來選購(或自繞)變壓器。副邊功率 P2 (W)<101030308080200效率0.60.70.80.85集成穩壓器的輸入電壓Ui=(12+3)/0.9=17V而變壓器的副邊電壓U2=Ui/(1.11.2)=15V,I2>

17、Iomax=1.5A變壓器效率為0.7,則其功率P2>U2*I2=22.5W為留有余地，故選擇功率25W的變壓器。4.2.3選整流二極管及濾波電容選整流二極管可以選1N4002，其極限參數Urm50V,1.4*15=21V,If=1.5A,所以均滿足要求濾波電容為C=IomaxT/2Ui=1500uF,它的耐壓應大于21V,因而可取2200uF/25V的電容。4.2.4選穩壓器由于要輸出正負12V電壓，于是采用的是7815和7915三端集成穩壓器，其中78系列輸出的為正電壓，79系列輸出的為負電壓，如圖，78系列和79系列的接法如下：穩壓芯片7915主要參數：輸出電流1A輸出電壓15v1

18、-地，GND2-輸入3-輸出穩壓芯片7815主要參數：輸出電流1A輸出電壓15v1-輸入2-地，GND3-輸出直流穩壓源原理圖5.直流電壓放大器差模電壓增益Avd（12 R7/(R11+ R5)）R6/ R4若取 R3 =R7= R8= R4= (R9+R10)=R6=10k,98Avd12 R7/(R11+ R5)取R11=0 時，Avd=1+2*10*1000/（0+40）=501取R11 為最大時，Avd=1+2*10*1000/(100*1000+40)=1.2R10 是調零電位器。集成運算放大器U1、U2、U3、U4、U5 采用OP07 其共模抑制比高、低噪聲、高精度。6. 放大器性

19、能測試放大器性能測試：首先調零，將輸入端短接，即將輸入信號置零，調節各個電位器的調零電阻，直至輸入電壓為零，完成調零操作，然后將電橋加電壓，用萬用表測電橋的輸出電壓，手動調節可變電位器，直至電橋的輸出電壓為5mv，然后用1米長的導線將電橋與放大器連接，用示波器觀察測量放大器的輸出波形。對于測量放大器放大倍數的測量，設置放大倍數然后用萬用表測電橋的輸出電壓及測量放大器放大后的輸出電壓，求出實際電壓放大倍數，然后與設置的電壓放大倍數比較。測量放大器的頻率響應測試：首先對信號變換電路進行調零，同樣是將輸入短接，即輸入端直接接地，然后調節用函數信號發生器產生信號源，然后將輸出信號通過信號變換電路將單端

20、輸出轉變成雙端輸出，再將信號變換器的輸出信號接到測量放大器的輸入端合理設置輸出電壓及測量放大器的放大倍數，然后用交流毫伏表測量放大器和信號變換電路的輸出電壓，并改變函數信號發生器的輸出頻率，得到不同頻率下的放大倍數。7.仿真結果和分析7.1各部分的仿真結果直流電壓放大器仿真原理圖R11為0時的輸出波形仿真圖R11為最大時的輸出波形信號變換放大器原理圖信號變換放大器輸出波形圖直流穩壓源原理圖直流穩壓源輸入輸出波形圖7.2電路總圖的仿真結果電路總圖8.主要電路參數計算8.1通頻帶的計算壓擺率是指在額定的滿幅度輸出條件下，運放輸出電壓的最大變化幅度，以 Sr 表示，即dV0/dt=awcoswt,S

21、r=dV0/dt max=aw題目要求輸出電壓為 10V，通頻帶 0100Hz，則壓擺率至少要達到 Sr=10×100×2=6.28×10-3V/S,使用的 OP07 的壓擺率為Sr=0.17×106V/s，理論運放的通頻帶為 f=Sr/2a=0.17×106/10/2=2.7×103Hz由于加了低通濾波，通頻帶為 f=1/(2RC)=1/(2×200×0.002×10-3)398Hz 所以系統的理論通頻帶為0398Hz8.2放大倍數計算差模電壓增益Avd（12 R7/(R11+ R5)）R6/ R4若取

22、 R3 =R7= R8= R4= (R9+R10)=R6=10k,98Avd12 R7/(R11+ R5)取R11=0 時，Avd=1+2*10*1000/（0+40）=501取R11 為最大時，Avd=1+2*10*1000/(100*1000+40)=1.2收獲和體會通過本次設計實驗，讓我懂得首先要對設計原理搞懂，才能在設計內容方面游刃有如。我也從中加深了對差分放大器的各項指標的理解與應用，例如它的共摸抑制比，輸入輸出阻抗的大小，通頻帶與增益之間的關系，我掌握了測量放大器的性能測量方法。 課程設計時間定在我們考試期間，所以任務還是相當重的。一方面要準備考試，一方面要準備課程設計，每天都在忙

23、碌著，也鍛煉了我們合理利用時間的能力。在這次的課程設計中我遇到了不少的問題。我的課程設計獨立的直流穩壓源，好在我們曾經做過這個實驗，可是由于我們做的是78系列的電路，我所需要的還有79系列的，對于各個引腳的功能和解法總是和78系列弄混淆，最后通過查閱資料才弄明白，雖然這是一些很基礎的問題，可是我們還是要認真的對待。可能是由于設備的原因，導致最后的結果調試不出來，但是我不曾灰心，結果不是最重要的，最終的是我在這次課程設計中學到了很多。在仿真設計中，有的電路圖沒有仿真出來，這一方面是由于時間比較緊，另一方面是由于對軟件和電路不是很熟悉，也說明電路的設計還有一些問題。由于對于理論知識學習不夠扎實，我

24、深感“書到用時方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實驗手冊，對知識系統而全面進行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學請教，終于熟練掌握了基本理論知識，而且領悟諸多平時學習難以理解掌握的較難知識，學會了如何思考的思維方式，找到了設計的方向。正所謂“實踐是檢驗真理的唯一標準”，只有自己動手做過了，才能更貼切更深刻的掌握所學的知識，使自己進一步的提高。盡管課程設計是在期末才開始，我們的教材學習完畢，掌握許多知識，但是還有很多地方理解領悟不到位，所以查閱資料使必不可少的，這就養成了我們自己學習的方式。這次課設沒有做實物電路，仿真圖中有一些問題，由于對multisim這個軟件運用得還不是很熟練，還有一些問題不能解決。總的來說，課程設計是一門與專業機密相關的課程，給了我很多專業知識，同時在一定程度上提高了我的專業技能，還教給我許多的道理。通過課程設計，我不僅學到了知識，而且從中學到了解決問題的方法，這也是一個鍛煉自己的機會。元件清單標號元件名稱數值個數C1C2電容100nF2C3C4電容330nF2C5C6電容220uF2C7C8電容1mF2R1-R6電阻10K6R7電阻5K1R8-R9電阻1K2R10-R15電阻10K6R16電阻401R17可調電阻100K1R1